Guld-nanopartiklar mindre än 10 nanometer organiserar sig spontant på helt nya sätt när de är instängda i kanalliknande mallar. En ny studie visar att denna funktion kan underlätta lättare nanoskala tillverkning av biosensorer och plasmoniska enheter med invecklade, hög densitet ytstrukturer.

Att generera ytmönster i skalor på 10 nanometer och lägre är svårt med nuvarande teknik. Ett internationellt lag, ledd av Joel Yang från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore, hjälper till att kringgå denna begränsning med hjälp av en teknik som kallas 'riktad självmontering av nanopartiklar' (DSA-n).

Detta tillvägagångssätt tar sfäriska nanopartiklar som spontant organiseras i ordnade, tvådimensionella filmer när de sätts in i litografiskt definierade mallar. Mallarna påför geometriska begränsningar som tvingar filmerna att organisera sig till specifika nanoskala mönster.

De flesta mönster som produceras av DSA-n, dock, är enkla periodiska arrangemang. För att bredda denna tekniks möjligheter, forskare utforskar ”strukturövergångar” som uppstår när mallbegränsningar blir jämförbara med storleken på nanopartiklarna. Vid dessa dimensioner, de små sfärerna kan förflytta sig från typiska periodiska positioner och omorienteras till oförutsägbara nya geometrier.

Tidigare studier har använt videomikroskopi i realtid för att fånga strukturövergångar i mikroskala-kolloider, men direkt avbildning av sub-10-nanometerpartiklar är nästan omöjligt. "Där kom vi på idén att använda mallar baserade på kanaler med gradvis varierande bredder, "säger medförfattaren Mohamed Asbahi." Med detta system, vi kan spåra självmonteringen av nanopartiklarna efter det utrymme som är tillgängligt för dem. "

Med hjälp av elektronstråle litografi tekniker, laget tog fram en rad inåt avsmalnande skyttegravar utformade för att passa 1 till 3 rader guldnanopartiklar. Efter avsättning av ett monoskikt med 8-nanometerpartiklar i mallen, de använde skanningselektronmikroskopi för att identifiera eventuella framväxande breddberoende mönster. Mellan periodiskt ordnade rader, forskarna såg tydliga tecken på övergångstillståndszoner - regioner där de små sfärerna böjs ur inriktningen och gradvis intar nya, triangulära förpackningsmönster.

Efter att ha analyserat övergångsstaterna med beräknade Monte Carlo -simuleringar, Yang och medarbetare identifierade flera dominerande återkommande mönster med olika geometrier från typiska DSA-n-depositioner. Eftersom de förutsättningar som behövs för att generera dessa mönster kan förutses matematiskt, teamet är övertygat om att dessa resultat kan ha praktiska yttekniska applikationer.

"Framgången för DSA-n beror på positioneringsnoggrannheten för partiklarna, "säger Yang." Genom att utnyttja den rika uppsättning strukturgeometrier som finns mellan ordnade stater, vi kan designa mallar som leder partiklar till komplexa periodiska och icke -periodiska strukturer. "